ICF平面低温冷冻靶系统的初步设计及应用

　　在激光惯性约束聚变(ICF)实验研究中,需要探索一些原子/分子(如氩、氢、氘、氚等)在低温冷冻状态下与强冲击波的相互作用,以获得相关的状态方程实验数据。因而,需要一个稳定的低温环境,将这些在常温下为气态的原子/分子冷冻成固态或液态。美国已经建立了平面冷冻靶制备实验装置[1],并在OMEGA实验装置上利用液氘平面低温冷冻靶获得了其状态方程实验数据[2]。另外,平面低温冷冻靶系统还可以用来开展低温液体或固体的瑞利-泰勒不稳定性、低温测试与控制技术的研究,以及开展注入法充气/冷冻技术制备球形冷冻靶的可行性研究等。本文设计了ICF实验用平面低温冷冻靶系统并进行了初步的应用研究。

　　1　系统设计和性能

　　利用二级制冷方式的Gifford-McMahon(G-M)制冷机实现低温制冷。G-M制冷机利用充放气制冷原理并能连续工作,制冷循环由等容充气、等压充气、等容放气、等压放充气4个过程组成[3]。平面低温冷冻靶系统包括:G-M制冷机、真空泵、温度传感器、测温控温仪、真空罩、靶架及靶盒,如图1所示。平面冷冻靶的靶架材料为高导无氧铜。靶架安置于G-M制冷机的第二级冷头上。待充气/冷冻的靶盒置于靶架的两冷头之间。靶盒材料为高导无氧铜,呈圆柱形,两端面用石英光学玻璃密封,柱体壁上开一小孔,其内嵌一直径约为0.2 mm的微铜管将靶盒与微充气管道连接起来。为使平面冷冻靶制备中充气和冷冻能够同时进行,气体通过充气管道由气源进入靶盒内,同时由G-M制冷机提供的低温源将进入靶盒的气体冷冻成液态或固态冰层。进入靶盒内的气体流量由一质量流量控制器(MFC)来调节,其最小流量可达2 mL/min。靶盒上下的温度梯度通过控制靶架的上下两个冷头的温度来实现。系统的热屏蔽采用多层真空屏蔽方式。

　　对于二级G-M制冷机制冷,一级冷头作为初级制冷,二级冷头作为终级制冷,并且二级冷头的温度低于一级冷头。图2显示空载情况下,一级冷头和二级冷头的制冷功率随温度的降低而减小。一级冷头在35 K时的制冷功率几乎为0,即一级冷头的最低温度可以达到35 K。二级冷头的最低温度约为10 K。特别地,二级冷头在14 K(对应标准状态下H2的三相点温度)的制冷功率为3 W,在18.6 K(对应标准状态下D2的三相点温度)的制冷功率为6.5 W。因此,该系统能够实现将H2和D2气体冷冻成液态或固态冰层的目的。

　　设计中,将温度传感器和加热电阻丝埋在冷头1和2中。由控温仪调节制冷机的制冷功率和电阻丝的加热功率来控制冷头的温度,使降温过程中靶架上冷头1的温度高于冷头2的温度,如图3(a)所示。如此设计主要是为了在冷冻靶制备中,当温度低于待冷冻气体的液化温度时,克服重力作用引起的冷冻冰层向下沉积,由此可以通过调节靶架的冷头1和冷头2的温度差,使冷冻的固态冰层尽可能均匀分布。图3(a)表明:根据预先设定,在冷却过程中,靶架上冷头1的温度高于冷头2的温度约15 K。靶架上下两个冷头的温差可以根据实际需要进行调节控制。平面低温冷冻靶系统中靶架的温度从室温降至11 K所需时间约40 min。图3(b)显示了在预设制冷速率为3.5 K/min时,冷头2的温度随时间的变化。可以看出:实际的制冷速率与预设值一致。